Упорядоченное движение электрических зарядов (электронов, ионов) или заряженных макроскопических тел называется электрическим током. Движение зарядов возникает под воздействием на них электрического поля, созданного в проводнике приложенным к его концам напряжением U. Какова зависимость величины электрического тока I от величины напряжения U ? Ответ на этот вопрос впервые дал немецкий ученый Георг Симон Ом, открывший закон, названный в последствии его именем. Для начала рассмотрим закон Ома для однородного участка цепи.
$ U = φ2 – φ1 $ (2),
при этом φ2 > φ1.
Единица электрического тока — ампер (А) — названа в честь французского физика Ампера. Эта единица является одной семи основных единиц в Международной системе СИ. Единицей измерения напряжений является вольт (В), названная в честь итальянского исследователя Алессандро Вольта.
Опыты Георга Ома
В 1826 г. Георг Ом на основании данных своих многочисленных экспериментов открыл однозначную связь между силой тока I и напряжением U. Ученый измерял зависимости тока от напряжения (вольт-амперные характеристики) и строил графики, из которых он обнаружил не просто пропорциональность (чем больше напряжение, тем больше ток), а линейную математическую зависимость тока от напряжения, т.е. I ∼ U.
Из графиков было видно, что угол наклона линейных зависимостей для разных материалов разный, т.е. каждый проводник обладал различной степенью сопротивляемости или проводимости. Эта величина была названа электрическим сопротивлением R. Формула закона Ома для однородного участка цепи выглядит следующим образом:
$ I = {U over R} $ (3).
Полностью формулировка закона Ома звучит так: сила тока I для проводника на однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению U на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению проводника R.
Любую электрическую цепь можно разделить на отдельные участки. Участки цепи, на которых отсутствует действие сторонних сил (т.е. участки, где отсутствуют источники тока), называются однородными. Участки цепи, на которых имеются источники тока, называются неоднородными.
Сопротивление
Сопротивление проводников и других веществ (полупроводников и диэлектриков) обусловлено тем, что заряженные частицы взаимодействуют (сталкиваются) с узлами кристаллической решетки и атомами разных примесей и дефектов, что приводит к торможению зарядов.
Наблюдения показали, что сопротивление проводника прямо пропорционально его длине L и обратно пропорционально площади поперечного сечения S:
$ R = ρ * { L over S } $ (5),
Единицей измерения сопротивления является Ом, равный:
$ [1 Ом] = {[1 В]over [1 A] } $ (6).
Единица измерения удельного сопротивления ρ показывает какое сопротивление имеет проводник длиной 1 метр с площадью поперечного сечения 1 м2. Удельные сопротивления всех известных материалов измерены и сведены в справочные таблицы.
Значения ρ в справочных таблицах приводятся обычно для нормальной, температуры 200С, т.к. величина удельного сопротивления зависит от температуры внешней среды T, и описывается формулой:
$ ρ = ρ_0 * (1 + α * T) $ (7),
где: ρ0 — удельное сопротивление при 00K, α — температурный коэффициент сопротивления.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что закон Ома для однородного участка цепи формулируется так: сила тока I для проводника на однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению U на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению проводника R. Участки электрической цепи, на которых отсутствуют источники тока, называются однородными. Удельное электрическое сопротивление вещества ρ — величина, характеризующая способность вещества к сопротивлению.
